Bioelectric تحليلات لزرع طعم مندمج الذكي تصميم نظام لالبتر

من المتوقع أن يصل عدد مبتوري الأطراف في الولايات المتحدة إلى 3.6 مليون شخص بحلول عام 2050. وغالباً ما تؤدي المضاعفات المرتبطة بالأطراف الاصطناعية التقليدية إلى أنماط مشي غير متماثلة وشعور بعدم الارتياح للمبتورين الذين يأملون في استعادة أنماط حياة نشطة بعد الإصابة. وتعتبر الخيارات المتاحة حالياً للأطراف الاصطناعية غير كافية بشكل عام.

يعود ذلك بشكل أساسي إلى ارتفاع معدل حدوث تقرحات الضغط الناتجة عن أنماط التحميل غير المنتظمة. وتتمثل إحدى الطرق للتغلب على القيود الوظيفية للأطراف الاصطناعية التقليدية في هندسة تثبيت هيكلي مباشر بين الغرسة وعظم المضيف للشخص المبتور. تعتمد هذه التقنية، المعروفة باسم osteointegration، على التثبيت الهيكلي المباشر وإغلاق جلدي وبشري محكم لمنع العدوى، وعند نجاحها، تؤدي osteointegration إلى تحسين مستويات النشاط بشكل كبير للمبتورين الذين يعانون من بتر قريب مرتفع.

يظهر هذا في مقاطع الفيديو المقدمة من فريق الدكتور Ash off، بالتعاون مع منظمة Esca. هناك تعقيدان رئيسيان يمنعان الاعتماد الواسع النطاق للاندماج العظمي.

يتمثل الخطر الأول في التصاق البكتيريا وتكوين الغشاء الحيوي على الغرسات التقويمية. وثانياً، هناك خطر عدم كفاية التثبيت الهيكلي داخل الجسم (in vivo) كما هو موضح هنا من خلال مناطق الشفافية الإشعاعية. وللتغلب على هذه المضاعفات، يمكن استخدام الطرف الاصطناعي الخارجي ككاثود لإيصال التحفيز الكهربائي.

قد يؤدي ذلك إلى إعادة تشكيل إيجابية للعظام، ومنع التصاق البكتيريا، وتقليل وقت التأهيل اللازم لتحمل الوزن الكامل. يوضح هذا الفيديو كيفية تصميم الغرسات باستخدام نظام تصميم الغرسات الذكية المبتكر والمتكامل عظمياً، أو OIID. مرحباً، أنا براد آيزاكسون من مختبر أبحاث العظام والمفاصل في جامعة يوتا بقسم الهندسة الحيوية.

سنعرض لكم اليوم كيفية اختبار وتقييم تصميم الغرسات المندمجة عظمياً باستخدام النمذجة الافتراضية عبر برامج الحاسوب الحسابية. هدفنا هو تقديم إثبات للمفهوم الخاص بأداة جديدة لإعادة التأهيل من الاندماج العظمي، والتي تعتمد على التحفيز الكهربائي. وعند تنفيذها بشكل صحيح، ستكون هذه الأداة قادرة على تقليل العدوى المحيطة بالبدائل الاصطناعية وزيادة الارتباط الهيكلي.

ومع وضع ذلك في الاعتبار، سأوضح لكم كيف يمكننا تطوير نظام متكامل لتصميم الغرسات الذكية. تُستخدم الأشعة المقطعية (CT scans) لإعادة بناء النموذج لأنها تسمح بتمييز أنواع الأنسجة المختلفة بوضوح. وقد تم جمع الأشعة المستخدمة في هذا البحث من مستشفى جامعة يوتا وإدارة شؤون المحاربين القدامى بعد الحصول على موافقة مجلس مراجعة المؤسسات (IRB) وقانون مسؤولية التأمين الصحي والمحاسبة (HIPAA).

تم فحص هذه الأشعة المقطعية بصرياً في البداية واختيارها للدراسة بناءً على خلوها من الغرسات المعدنية، والتي يمكن أن تؤدي إلى ظهور شوائب في الصور. نعرض هنا حالة لشخص مبتور الطرف لن يكون مقبولاً للنمذجة الحاسوبية نظراً لوجود غرسة تقويم عظام. يعاني الشخص المبتور من وجود غرسة تقويم عظام داخل القناة النخاعية، وعندما نقوم بمسح شرائح الأشعة المقطعية، نلاحظ وجود تشوه في الصورة.

ومع ذلك، فإننا نؤيد اختيار مريض كهذا؛ حيث يتميز الشخص المبتور بوجود تمايز واضح بين أنواع الأنسجة، وهو أمر بالغ الأهمية لإنشاء نماذج دقيقة تشريحياً. بداية ممتازة.

يتم تنزيل ملفات التصوير المقطعي المحوسب (CT scan) الخاصة بتوليد النموذج كصور DICOM وتحميلها في برنامج SEG 3D كحجم جديد. بعد ذلك، يُستخدم مرشح متوسط (median filter) لتنعيم الأحجام المستوردة قبل تحديد هياكل الأنسجة المحددة هندسياً. وبمجرد اكتمال الترشيح، يتم توليد حدود الأنسجة للعظام، ونخاع العظام، والأعضاء، والأنسجة الدهنية عن طريق العتبة (thresholding).

يتم التعامل مع صور CT تفاعلياً وتصفيتها مرة أخرى. يتم الحصول على الجهاز العضلي من خلال وضع نقاط بذرية يدوياً داخل عتبة النسيج العضلي، وباستخدام مرشح الاتصال الموثوق (confidence connected filter) للعثور على جميع الأنسجة المتصلة بالنقاط البذرية. تهدف هذه الخطوة إلى استبعاد الأنسجة الخاطئة التي قد يتم تجميعها مع العضلات بناءً على تشابه الامتصاص في صور CT.

يتم إنشاء الجلد، الذي يستحيل تمييزه بشكل موثوق من صور الأشعة المقطعية (CT)، عن طريق توسيع النسيج الخارجي بمقدار 2 mm بناءً على متوسط سمك الجلد. ينتج عن ذلك طبقة ذات سمك متجانس تحيط بالنموذج كاملاً. يتم فحص عمليات التجزئة يدويًا، وتصحيحها لضمان الدقة، ثم دمجها في تسلسل هرمي في خريطة تسمية واحدة.

مطلوبة لتحليل العناصر المحدودة. يتم تصدير النماذج إلى ski run باستخدام تنسيق بيانات راستر شبه خام أو ملف n NRD الذي طوره Gordon Delman في معهد Ski Institute. أصبح هذا الآن نوع الملف الأساسي في العديد من منصات برمجيات معالجة الصور مفتوحة المصدر.

يتم تصدير هذا الملف واستخدامه كشبكة للتحليل بالعناصر المحدودة. وحتى الآن، قمنا بفحص التجارب العشوائية المنتظمة (RCTs) يدويًا ودمجها في نموذج تسلسلي. وفي برنامج SEG 3D، نتمكن من تحديد هندسة الأنسجة والفراغ.

بعد ذلك، سنقوم بتحميل هذه النماذج في برنامج ski، ثم نشغل حزمة العناصر المحدودة لتحديد موضع ونوع القطب الكهربائي. والسبب في استخدام تحليل العناصر المحدودة هو أنه يوفر تقريبًا رقميًا للهندسات المعقدة، مثل الأطراف المتبقية لدى المبتورين. وللتحضير لتحليل العناصر المحدودة، يتم تصميم الغرسة التي يبلغ طولها 16 centimeter باستخدام برنامج مخصص مكتوب بلغة mat lab، ثم يتم استيرادها إلى ski run لتعمل كغرسة تقويم عظام وكاثود للتحفيز الكهربائي.

يجب الحفاظ على المجال الكهربائي دون مستوى 1 إلى 10 فولت لكل سنتيمتر، كما يجب أن تكون كثافة التيار أقل من 2 مللي أمبير لكل سنتيمتر مربع. سيؤدي ذلك إلى تحفيز هجرة الخلايا البانية للعظم، ومنع التسخين الموضعي للأنسجة، وضمان سلامة المريض. ويُشار إلى ذلك بالخط المتقطع الأحمر.

تم تصميم أقطاب كهربائية صغيرة لضمان راحة المريض، حيث يجب ألا يعيق جهاز OIID الحركة أو الأنشطة اليومية أثناء فترة التأهيل. وتُستخدم حزمة برمجيات ski run لتصميم القطب الكهربائي لأنها تدعم المحاكاة والوضع التفاعلي للأقطاب.

يتم إنشاء شبكة وتنظيم وحدات باستخدام دوال رياضية محددة لتحديد الشروط الحدية، وموصلية الأنسجة، وتحسينات الشبكة، وكذلك لإنشاء مخططات توزيع المقاييس الكهربائية وتسجيل البيانات المعبأة. تتكون تكوينات الأقطاب الكهربائية من قطب رقعي واحد، وقطبين رقعيين، وشريط مستمر واحد، وشريطين مستمرين. تُطبق أحزمة أقطاب كهربائية خارجية، بسمك 1.6 centimeters، على الطرف المتبقي للنماذج التي تم إنشاؤها من صور الأشعة المقطعية CT للمرضى.

توضع رقع الأقطاب الكهربائية، التي يبلغ سمكها ثلاثة سنتيمترات، في شريط يغطي ما يقرب من نصف قطر الطرف المتبقي. يمثل الغرس القشري الداخلي الموضح باللون الأحمر الغرس العظمي. وقد تم ضبط هذا القطر لضمان ملاءمة الغرس وملئه بشكل مثالي.

بعد وضع الأقطاب الكهربائية، سنقوم بإجراء تحليل العناصر المحدودة. الهدف هنا هو الحفاظ على أي مجال كهربائي بين 1 إلى 10 volts per centimeter ليكون أداة فعالة، مع الحفاظ على كثافة تيار أقل من 2 milliamps per centimeter squared لمنع تنخر الأنسجة. ولإجراء تحليل العناصر المحدودة، يتم إنشاء عمليات محاكاة بافتراض أنه يمكن حساب المقاييس الكهربائية باستخدام نهج شبه سكوني دون اعتماد زمني. ويُستخدم التقريب العددي لحساب الجهد الكهربائي عبر الطرف المتبقي للخاضع للاختبار.

يتم حساب النموذج عن طريق حل معادلة بواسون وعلم الكهروسكونية لكل نوع من أنواع الأنسجة الناتجة عن تقسيمات SEG 3D. يتم تعيين الشروط الحدية في النموذج بحيث تكون العقد مستمرة بين أنواع الأنسجة وللتحكم في مسار تدفق التيار. ونظراً لأن الأقطاب الكهربائية والغرسة تمتلك موصلية أعلى بكثير من الأنسجة المحيطة، فإنه يُفترض أن الغرسة أو الكاثود يقع عند جهد ثابت.

وبالمثل، يتم نمذجة الأقطاب الكهربائية السطحية بفرق جهد ثابت عن الغرسة عبر الجلد. وتُستخدم المحاكاة العددية لحساب الجهد الكهربائي عبر الطرف المتبقي للشخص الخاضع للدراسة لتقييم فعالية تكوين الأقطاب الكهربائية وحجمها. كما يتم تطوير نماذج خاصة بكل مريض، ويُستخدم الجهد الكهربائي حول واجهة الغرسة لتحديد شدة المجال الموضعية.

يتم إنشاء النموذج باستخدام شبكة سداسية الأوجه (hexa hugel mesh) تتكون من حوالي 1.8 مليون عنصر. وقد تم اختيار الحجم الأمثل للعنصر في هذه التجربة بناءً على دراسة حساسية الشبكة التي أدت إلى فرق نسبي أقل من 5% في تدرجات الجهد، مما يضمن دقة النموذج.

تُعامل العناصر كقطع متجانسة وموحدة الخصائص ومتناحية المناحي. يتم دمج الأقطاب الكهربائية في شبكة العناصر المحدودة، ويُخصص فرق جهد ثابت بين قطب الجلد والغرسة المتكاملة عظمياً. ويستند هذا الاختيار إلى المقاومية المتوقعة للأنسجة.

يتم ضبط الجهد بين 1 و4.5 فولت بناءً على هندسة الطرف المبتور، والمقاومة النوعية للأنسجة، وتوزيع الأقطاب الكهربائية باستخدام برنامج حل تكراري. كما يتم حساب الجهود في نماذج العناصر المحدودة لأربعة توزيعات مختلفة من الأقطاب الكهربائية، وذلك لتحديد التصميم الأمثل لمبتوري الأطراف.

يتم إجراء التحقق من صحة تحليل العناصر المحدودة باستخدام نموذج حيواني صغير في الجسم الحي معتمد من لجنة رعاية واستخدام الحيوان المؤسسية (iacuc). يتم إدخال غرسة في القناة النخاعية للأرنب ووضع قطب كهربائي ثانٍ على العضلات. يؤدي ذلك إلى توليد مجال كهربائي تحت الجلد عند الواجهة بين العظم والغرسة.

تم التحقق من صحة جميع تحليلات العناصر المحدودة لـ ski run باستخدام أقطاب إبرية وُضعت بين القطبين، والتي سجلت تدرجات الجهد الكهربائي في أرنب حي (in vivo). تستخدم دراسة نموذج الأرنب نفس البروتوكول المخصص لأبحاث OIID البشرية. يتم ذلك عن طريق الحصول على صور الأشعة المقطعية، وتطوير نماذج هرمية ثلاثية الأبعاد في برنامج SEG 3D، وإجراء النمذجة الحسابية باستخدام ski run.

الهدف هو تطوير المقاييس الكهربائية اللازمة لإثبات فعالية التحفيز الكهربائي المتحكم به. ويهدف ذلك إلى تقليل الإصابات المعدية حول الطرف الاصطناعي وزيادة قوة تثبيت الغرسات، لكي يتم اعتماد هذه التقنية من قبل إدارة الغذاء والدواء (FDA) واستخدامها في إعادة تأهيل مبتوري الأطراف.

سيؤدي الإكمال الناجح لهذا البروتوكول التفصيلي إلى تطوير أطراف متبقية لبتراء دقيقة تشريحياً، وذلك بناءً على صور الأشعة المقطعية. سيوفر ذلك الإرشادات الأولية لنظام OIID. وسيقوم المستخدمون بتطوير واجهة تفاعلية لضبط حجم وموضع القطب الكهربائي بما يتناسب مع النماذج الخاصة بكل مريض.

ستكون الحقول الكهربائية وكثافات التيار المتغيرة نتيجة لهندسة الأنسجة وموضع القطب الكهربائي. وبناءً على ذلك، ستتطلب النماذج تعديلات فردية لمساعدة الأشخاص الذين يعانون من فقدان الأطراف والذين يسعون للحصول على تقنية التكامل العظمي. إن نظام تصميم الغرسات الذكية المتكاملة عظمياً الذي عرضناه لكم اليوم سيساعد في التخفيف من المشكلة الكلاسيكية المرتبطة بالتحفيز الكهربائي، وهي عدم القدرة على تحديد مسار التيار في جسم الإنسان.

تشير النتائج الأولية إلى أن المجال الكهربائي عند الواجهة بين العظم والغرسة قد يمتلك القدرة على تقليل العدوى حول الطرف الاصطناعي، وزيادة الارتباط الهيكلي، ويمكن استخدامه كأداة فعالة للأطباء في عمليات إعادة التأهيل. هذا كل شيء. شكراً للمشاهدة وبالتوفيق في أبحاثكم حول الاندماج العظمي.